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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet Messtechnik und betrifft die Vermessung
von Rotationsteilen, insbesondere von Kolben für Verbrennungsmotoren und andere
Kolbenmaschinen. Bei solchen Vermessungen ist es wichtig, genaue,
oftmals komplexe Messungen schnell und mit möglichst geringem Aufwand zu
ermitteln. Damit lässt
sich beispielsweise die Eignung eines Kolbens oder anderen Rotationsteils
für einen
bestimmten Verwendungszweck beurteilen oder eine Qualitätsüberwachung
bei der Herstellung des Bauteils durchführen.
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Im
vorliegenden Fall geht es um die zerstörungsfreie Vermessung und Funktionsbeurteilung
der Bindung von Eingiessteilen oder ähnlichen Anordnungen in Bauteilen,
insbesondere die Bestimmung der metallischen Bindung von Eingiessteilen
in Kolben für
Verbrennungsmotoren. Bei einer solchen Vermessung kommt es darauf
an, entlang einer definierten Fläche
zwischen dem Grundmaterial und dem eingegossenen oder in anderer
Weise verbundenen Material die Funktion und Vollständigkeit
der Bindung zu bewerten, z.B. um die Qualität des Bauteiles oder dessen
Eignung für
einen bestimmten Verwendungszweck zu beurteilen oder eine Qualitätsüberwachung
des Herstellungsprozesses (Giesserei, Fertigung) durchführen.
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Stand der Technik
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Messungen
der genannten Art können
mittels Ultraschallmessmethode durchgeführt werden. Bei der automatisierten
Messung von Serienteilen kommen zweckmässiger Weise häufig sog.
Ultraschallmessungen im Tauchverfahren zum Einsatz. Alternativ werden
Methoden in sogenannter Kontakttechnik verwendet.
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Solche
Messsysteme weisen zumeist folgende Bestandteile auf:
- • mindestens
ein Ultraschall-Gerät,
ggf. mit mehreren Prüfkanälen, welches
die Erzeugung von Ultraschallwellen und deren Empfang geeignet steuern
und Schall-Laufzeiten geeignet auswerten kann, ggf. mit einem separaten
Auswerterechner;
- • eine
oder mehrere Sonden ("Prüfköpfe"), welche geeignet
sind, charakteristische Ultraschallwellen zu erzeugen, zu senden/emittieren,
sowie zu empfangen, jeweils gekoppelt an das Ultraschall-Gerät;
- • eine
oder mehrere geeignete mechanische Positioniereinrichtungen für die Prüfköpfe, ggf. über Achsen bewegbar
und/oder steuerbar;
- • bei
Verwendung des Tauchverfahrens ein Becken, das mit flüssigem Medium
befüllbar
ist mit einer Vorrichtung, die das zu prüfende Bauteil fixiert, sowie
die Prüfköpfe beinhaltet;
- • eine
geeignete, ggf. bewegbare Aufnahme für das zu prüfende Bauteil.
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Bei
der Messung werden mittels einer an das Prüfproblem angepassten Sonde
bzw. mit mehreren Sonden, geeignete Ultraschallwellen geeigneter
Wellenlänge,
Schallbündeldurchmesser
und Ausbreitungscharakteristik erzeugt und über ein flüssiges Koppelmedium, in welches
das zu prüfende
Bauteil getaucht wird, in das Bauteil geleitet. Die durch das Bauteil
laufenden Schallwellen werden an der Grenzfläche zum Eingiessteil teilweise
reflektiert, teilweise laufen sie weiter hindurch. Die auf diese
Weise reflektierten oder auch transmittierten Wellen enthalten Informationen über das
Bauteilinnere, also insbesondere auch über den Zustand der Bindung,
und können
bezüglich
Ihrer Amplitude durch einen geeigneten Empfänger – der ggf. auch im Sender integriert
sein kann – bewertet
werden. Dabei werden diejenigen Amplitudenanteile ausgewertet, welche
einer bestimmten Laufzeit oder Laufzeitperiode zugeordnet sind entsprechend
einer auszuwählenden, im
Bauteil gegebenen bzw. korrelierenden Tiefen- bzw. Lageposition.
Durch geeignete Relativbewegung der Sonde zum untersuchenden Bauteil
entlang der zu untersuchenden Bindungsfläche, insbesondere durch Rotation
des Bauteils und/oder der Sonde relativ zueinander, entsteht auf
diese Weise ein charakteristischer Amplituden-Signalverlauf der
reflektierten und/oder transmittierten Ultraschallwelle.
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Der
relative Amplitudensignalverlauf wie auch die absolute Amplitudenhöhe über die
Messstrecke wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst. U.a. sind
dies beispielsweise die Geometrie des Bauteils und des Eingiessteils,
Einflüsse
des Gefüges
bzw. Materials des Bauteils oder des Eingiessteils, Rauheit der
Bauteiloberfläche
oder der Grenzfläche
zum Eingiessteil, aber auch Parameter wie die geometrische Anordnung
der Komponenten zueinander sowie der Ultraschallwellen (deren Intensität, Ausbreitungscharakteristik,
weitere Schallfeldgrössen,
..., usw.). Diese Einflüsse
können
häufig
bei der Prüfung
mehrerer Teile und bereits über
kurze Zeiträume
von wenigen Minuten unsystematisch variieren und werden als sogenannte
Störeinflüsse oder
Störgrössen bezeichnet.
Neben diesen vielen sich überlagernden
Störeinflüssen hängt der
Amplitudenverlauf auch von der Ausprägung und Funktion der Bindung
ab, also derjenigen Eigenschaft, die mit der Messmethode eigentlich
bestimmt werden soll.
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Bislang
auf dem Markt befindliche Systeme können diese Störeinflüsse für komplexere
Bauteile nur sehr ungenügend
identifizieren und kompensieren. Dies erfolgt u.a. beispielsweise
dadurch, dass mittels eines oder mehrerer Referenzteile und häufig mehrerer
funktionstüchtiger
Serienbauteile ein Grundpegel (durch Verstärkungseinstellung) der Amplitude
bestimmt und justiert werden muss und die Dynamik und Variation
bei teilweiser oder vollständig
funktions-untüchtiger
Bindung ermittelt werden muss. Aus diesen Werten können sog. Grenzwerte
oder Schwellenwerte definiert werden, deren Erreichen dann bei der
anschliessenden Serienprüfung
ein schlechtes Bauteil indizieren soll. Diese Schwellenwerte werden über die
gesamte Messstrecke und/oder über
eine längere
Zeitspanne während
der Prüfung
mehrerer Bauteile meist fest gewählt
oder genügen
nur einer einfachen Dynamik, womit die genannten Probleme bzw. der
genannte Aufwand nur unzureichend vermieden werden kann.
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Der
Nachteil all dieser Methoden ist der teilweise erhebliche Aufwand
bei Neueinstellung des Messsystems, die in engem Zeitraster durchzuführende Überprüfung und
Rekalibrierung des Systems, sowie die selbst bei optimaler Justierung
durch Störeinflüsse – auch aufgrund
unkritischer Variationen der Eigenschaften der Bauteile untereinander – resultierenden
falschen Messergebnisse und Fehlbewertungen, notabene das Nichterkennung
von Ausschussteilen oder die Verwerfung von Gutteilen.
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Vom
beschriebenen Stand der Technik ausgehend, hat sich die Erfindung
zur Aufgabe gesetzt, einerseits den Aufwand für die Einstellung zu verringern,
andererseits eine universelle Methode zu finden, welche die Störeinflüsse für jede Einzelmessung
minimiert und robust gegen Veränderungen
von Parametern ist, welche die Amplitude beeinflussen. Auf diese
Weise soll die Bewertungsqualität
und Zuverlässigkeit
von derartigen Messergebnissen auf ein Mass gesteigert werden, wie
sie auf dem Markt erhältliche
Systeme nach Stand der Technik bislang nicht erreichen.
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Die Erfindung
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Die
Erfindung verfolgt das Ziel, ein System und Verfahren zur schnellen
und zuverlässigen,
weitgehend automatisierten Beurteilung des inneren Zustands von
Bauteilen, insbesondere einer Funktionsbeurteilung der metallischen Bindung
von Eingiessteilen in Bauteilen, insbesondere in Rotationsteilen
wie Kolben, zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäss
im Prinzip dadurch gelöst,
dass die mittels einer geeignet aufgebauter Ultraschallmessmethode
ermittelten Amplitudenwerte einem mehrstufigen Bestimmungsprozess
unterworfen werden, welcher die systeminhärent bei der Ultraschallprüfung auftretenden
Störfaktoren
universell und für
jede Einzelmessung minimiert.
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Dazu
dient gemäss
der Erfindung ein Ultraschallverfahren, bei dem mittels eines speziellen
Bestimmungsprozesses die gewünschten
Ergebnisse ermittelt werden. Ein entsprechend der Erfindung ausgestaltetes
System minimiert sowohl Fehlereinflüsse, die bei der Bedienung
(speziell bei der Einstellung/Justierung) eines solchen Messverfahren
systeminhärent
auftreten, als auch Messfehler und Fehlbeurteilungen bei der Durchführung der
Prüfung,
die durch geometrische Toleranzabweichungen bzw. Unterschiede mehrerer
zu vermessender Bauteile oder durch Unterschiede der Material- oder
Gefügezusammensetzung
sowie weiterer Störeinflüsse auftreten.
Mittels eines speziellen Bestimmungsprozesses erfolgt der wesentliche
Teil der Kalibrierung und Justierung des Verfahrens vollautomatisch
und selbstjustierend, insbesondere für jedes einzelne Bauteil individuell.
Damit gewährleistet
das Verfahren neben einem reduzierten Bediener- und Fehlereinfluss auch
eine erhebliche Reduzierung des Einstellaufwandes im Vergleich zu
einer Messeinrichtung nach dem Stand der Technik.
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Auf
diese Weise wird ohne Verwendung von mehreren Einstell- und Serienbauteilen,
sowie ohne Durchführung
eines spezifischen Justierprozesses (ein grobes Justieren reicht
aus) und ohne regelmässig
in relativ kurzen Zeitabständen
zu wiederholende Kalibrierung eine hohe Verlässlichkeit der Funktionsbeurteilung des
Bauteils bezüglich
der Bindungscharakteristik ermöglicht.
Dies bedeutet, diejenigen Anteile zu identifizieren, quantitativ
zu bestimmen und dann zu eliminieren, welche einer gestörten bzw.
funktionsfähigen
Bindung zuzuordnen sind.
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Toleranzen,
wie Bauteilgeometrie und andere Einflüsse, die sich unvermeidbar
von Bauteil zu Bauteil individuell unterscheiden und die Messergebnisse
verfälschen,
werden durch das erfindungsgemässe
Verfahren kompensiert. Auf diese Weise wird eine deutlich verbesserte
Messprozesssicherheit erreicht, wie sie mit Methoden nach dem Stand
der Technik bislang nicht möglich
waren und der Anteil falscher Beurteilungen wird deutlich reduziert.
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Am
einfachsten lässt
sich der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einiger
Zahlenwerte zeigen. So ist bei Methoden, die nach Stand der Technik
arbeiten, ein Rekalibrierungsaufwand von etwa 10 Minuten bezogen
auf die Messung von 1000 Bauteilen notwendig, respektive der erforderlichen
Nachbeurteilung von Ausschussteilen. Bei Verwendung des erfindungsgemässen Verfahrens
entfällt
dieser Aufwand, solange sich der Bauteiltyp nicht verändert. Bezüglich der
Messprozesssicherheit und dem Anteil von falschen Beurteilungen
(sogenanntem "Pseudoausschuss") belegen aufwändige Untersuchungen,
dass durch die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens eine Reduzierung
der betreffenden Ausschussquote absolut um mindestens 0,5% erzielt
werden kann, bezogen auf die Gesamtzahl der produzierten Serienteile.
Bei ungünstigen
Rahmenbedingungen wie z.B. Schwankungen der Bauteilgeometrie sind
auch weit höhere
Reduzierungen erreichbar.
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Einzelheiten
der Erfindung können
den Patentansprüchen
entnommen werden; ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist nachfolgend detailliert beschrieben.
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Ausführungsbeispiel
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Ein
Ausführungsbeispiel
mit einem rotationssymmetrischen Bauteil wird nun in Verbindung
mit den Zeichnungen näher
beschrieben.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines handelsüblichen Mess-Systems, wie es auch
für die
Erfindung benutzt werden kann;
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2a ein
Kolben eines Verbrennungsmotors als typisches Bauteil für die Anwendung
des erfindungsgemässen
Verfahrens im Schnitt;
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2b die
Draufsicht auf den in 2a gezeigten Kolben;
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3a einen "Ideal-Messwertverlauf" über den Umfang ermittelter
Amplitudenwerte;
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3b einen
tatsächlichen
Verlauf über
den Umfang ermittelter Amplitudenwerte, verfälscht durch eine langwellige Überlagerung;
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4a einen
Verlauf für
ein tatsächlich
fehlerfreies, aber nach dem Stand der Technik vermessenes und dabei
als fehlerhaft ausgeschiedenes Teil;
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4b einen
Verlauf für
ein tatsächlich
fehlerhaftes, aber nach dem Stand der Technik vermessenes und dabei
als fehlerfrei markiertes Teil;
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5a den
Verlauf für
dasselbe (fehlerfreie) Teil wie in 4a gezeigt,
das aber mit dem erfindungsgemässen
Verfahren vermessen und dabei richtig als fehlerfrei erkannt wurde;
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5b den
Verlauf für
dasselbe (fehlerhafte) Teil wie in 4b gezeigt,
das aber mit dem erfindungsgemässen
Verfahren vermessen und dabei richtig als fehlerhaft erkannt wurde;
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6 das
erfindungsgemässe
Verfahren als Ablaufdiagramm.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines handelsüblichen Messsystems gezeigt.
Die wesentlichen Bestandteile sind:
- • ein Ultraschallgerät, welches
die Erzeugung von Ultraschallwellen und deren Empfang steuern und Schall-Laufzeiten
auswerten kann;
- • ein
elektronischer Verarbeitungs- und Auswerterechner (z.B. ein handelsüblicher
PC), welcher die Amplitudensignale, die einer definierten Ultraschall-Laufwegstrecke
zuzuordnen sind, über
die zu prüfende
Bindungsfläche
des Bauteils auswerten und darstellen kann;
- • eine
mit dem Ultraschallgerät
verbundene Ultraschallsonde ("Prüfkopf"), welche charakteristische
Ultraschallwellen senden und empfangen kann;
- • eine
verfahrbare Halterung für
die Ultraschallsonde;
- • ein
Tauchbecken mit einem flüssigen
Medium; und
- • im
Beispiel eine im Tauchbecken installierte, motorisch drehbare Aufnahme,
hier ein Drehtisch, zur Aufnahme des zu prüfenden Bauteils.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass, wie jede mit der Technologie vertraute
Person feststellen wird, die Darstellungen weder massstabsgetreu
noch vollständig
sind, sondern allein dazu dienen sollen, die Erfindung zu erläutern.
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Im
Tauchbecken, das mit einem geeigneten Medium, hier Wasser, gefüllt ist,
befindet sich das zu prüfende
Bauteil, hier ein schematisch dargestellter Kolben für einen
Verbrennungsmotor, auf einer Aufnahmevorrichtung, hier einem motorisch
angetriebenen Drehtisch. Ebenfalls im Tauchbecken angeordnet ist
eine einstellbare Halterung für
eine Ultraschallsonde, die auf die zu prüfende Bindungsfläche des
Kolbens gerichtet ist. Diese Halterung kann natürlich auch ausserhalb des Tauchbeckens
angeordnet sein und/oder es können
mehrere Sonden Verwendung finden. Wenn der Kolben gedreht wird,
bewegt sich diese Bindungsfläche
durch den Schallbereich der Sonde. Die Sonde ist mit einem Ultraschallgerät verbunden,
das sowohl die Anregung bzw. Steuerung der Sonde erlaubt, als auch
deren Ausgangssignal verarbeitet. Der Ausgang des Ultraschallgeräts wiederum
ist mit einem Auswerterechner verbunden, der die Verarbeitung der
ermittelten Werte durchführt. Der
Auswerterechner kann ein handelsüblicher
PC sein, der mit dem entsprechenden Programm geladen ist.
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Auf
dem Drehtisch findet die Ausrichtung und "Abtastung" der zu prüfenden Bindung innerhalb des Kolbens
statt, der als typisches Bauteil in 2 genauer
gezeigt und im Zusammenhang mit dieser Figur beschrieben ist. Dieses
im Prinzip rotationssymmetrische Bauteil wird auf dem Drehtisch
ausreichend stabil aufgesetzt und fixiert. Die Sonde ist, bzw. die
Sonden sind während
der Drehung des Kolbens fest positioniert und befinden sich typischerweise
im Tauchbecken wenige Zentimeter von der Bauteiloberfläche entfernt.
Die Positionierung ist so gewählt,
dass der emittierte Schall, der durch das Bauteil läuft, an
der zu prüfenden
Grenzfläche
zum Eingiessmaterial (siehe 1 und 2) auftrifft.
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In 2a ist
ein als Beispiel gewählter
Kolben für
einen Verbrennungsmotor mit einem Eingiessteil für den obersten Kolbenring im
Schnitt dargestellt. Derartige Kolben werden für Dieselmotoren und hochbelastete Ottomotoren
verwendet. Geprüft
werden soll die Bindung an der Grenzfläche des Eingiessteils (üblicherweise eine
Eisenlegierung) mit dem Kolben (üblicherweise
eine Aluminiumlegierung) mittels der Ultraschallsonde. Das Tauchbad
ist in den 2a und 2b nicht
gezeigt.
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2b zeigt
den gleichen Kolben wie 2a, jedoch
in Draufsicht. Die zu prüfende
Grenzfläche
zwischen dem Eingiessteil ist schraffiert dargestellt. Die ortsfest
justierte Ultraschallsonde tastet diese Grenzfläche ab, wenn der Kolben um
seine Mittelachse gedreht wird.
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Der
an der Bauteiloberfläche
wie auch an der Grenzfläche
teilweise reflektierte Schall wird von der Ultraschallsonde, also
vom selben "Prüfkopf" empfangen, es ist
also ein Reflexionsverfahren, das hier angewendet wird. Wird eine
Transmissions- oder Durchschallungsmethode als Alternative angewandt,
kann der Ultraschall, welcher die Grenzfläche passiert, durch einen weiteren
Prüfkopf
oder Ultraschallempfänger
aufgenommen werden. Die weitere Verarbeitung der aufgenommenen Werte
ist bei beiden Verfahren prinzipiell gleich, natürlich den aufgenommenen Signalen
angepasst.
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Durch
Laufzeitauswertung wird diejenige Amplitude bestimmt, welche in
korreliertem Abstand zur Bauteiloberfläche registriert wird. Bei konstanter
Drehgeschwindigkeit des Drehtisches mit dem Objekt bewegt sich das
an der Grenzfläche
auftreffende Schallbündel
entlang des Umfangs. Die an der Position der Grenzfläche zurücklaufenden
Wellenamplituden werden über
den Umfang – d.h. über die
Messstrecke – dargestellt.
Bei einer linearen Abtastung erfolgt die Darstellung entsprechend.
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Für eine optische
Darstellung wird dabei die Amplitudenhöhe so skaliert, dass Sie für die Aufnahme des
reflektierten Anteils in etwa zwischen ca. 10% bis 30% der Bildschirmhöhe für eine intakte
Bindung einnimmt und im Falle der Auswertung des transmittierten
Anteils ca. 90 bis 70% Bildschirmhöhe.
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Das
auf diese Weise erhaltene Diagramm wird nun erfindungsgemäss einem
mehrstufigen Bestimmungsprozess unterworfen:
Ausgangspunkt
ist die gemessene Amplitudenfunktion AF (Messort). Die Messwerte
entsprechen den Amplitudenmaxima, welche von den Wellenpaketen herrühren, die
der Umgebung der Grenzfläche
zuzuordnen sind. Der Messort bezeichnet im Falle eines rotationssymmetrischen
Bauteils den Umfangsort von der Sonde relativ zum Bauteil, welcher
vorteilhaft als Winkelposition der Sonde relativ zum Bauteil beschrieben
wird. Bei konstanter relativer Drehung von Sonde zu Bauteil und
daraus resultierenden äquidistanten
Winkelabschnitten können
die Messorte aber auch vereinfachend durch durchnummerierte Indizes
ersetzt werden. Solche durchnummerierte Indizes können analog
auch bei einer linearen Abtastung verwendet werden.
AF(Messort) → AF(Nummer
= 1...n)
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Es
hat sich als nützlich
erwiesen, bei Rotationsteilen mit bis zu ca. 200 mm Durchmesser
mindestens 1000 Messwerte (n = 1000) über den Teileumfang aufzunehmen.
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Bei
grossen Bauteilen und/oder gewünschten
grossen Auflösungen
kann es erforderlich sein, weit mehr Messwerte über den Umfang oder die Länge des
Bauteils aufzunehmen.
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Die
in den 3a, 3b bis 5b, 5b dargestellten
Kurven sind in einem Reflexionsverfahren gemessene Amplitudenfunktionswerte
AF(Messort) über
den Umfang eines Bauteils, hier eines Kolbens. Sie sind zur Darstellung
so vereinfacht, dass das erfindungsgemässe Prinzip klar wird. Insbesondere
sind der Anschaulichkeit halber Schwellenwerte dargestellt, die
im Formverlauf variieren. Den gleichen Effekt erhält man, wenn
analog die Amplitudensignale in ihrer Form verändert werden, und genauso wie
bei Verfahren, die nach Stand der Technik arbeiten, mit geradlinigen
Schwellen gearbeitet wird.
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3a zeigt
als Beispiel einen idealen Verlauf von über den Umfang ermittelten
Amplitudenwerten, wie er beispielsweise bei der beschriebenen Prüfung eines
Kolbens dann ermittelt wird, wenn keine Bindungsfehlstellen vorhanden
sind, der Kolben korrekt ausgerichtet ist und keine sonstigen Störquellen
vorhanden sind.
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In 3b ist
demgegenüber
ein Verlauf ermittelter Amplitudenwerte des gleichen Kolbens wie
in 3a, jetzt aber mit einer typischen niederfrequenten Überlagerung,
wie sie beispielsweise durch eine Desachsierung des Bauteils in
der Aufspannvorrichtung auftreten kann.
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4a zeigt
nun die Anwendung eines konstanten Schwell- oder Grenzwerts gemäss dem Stand
der Technik auf die in 3b dargestellte Kurve. Der eingestellte
Grenzwert von 50% wird überschritten,
womit das Bauteil als fehlerbehaftet und damit – fälschlicherweise – als Ausschuss
markiert wird.
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Andererseits
zeigt 4b einen Kolben mit einem Bindungsfehler,
der in diesem Fall ebenfalls in Kombination mit einer niederfrequenten
Störung
auftritt, und zwar ungünstiger
Weise im Wellental dieser Störung. Wie
gezeigt, wird der Bindungsfehler bei Anwendung eines konstanten
Schwell- oder Grenzwerts
gemäss
dem Stand der Technik nicht erkannt, da der eingestellte Grenzwert
von 50% nicht überschritten
wird.
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Die 5a und 5b verdeutlichen
den Effekt des erfindungsgemässen
Verfahrens. Durch die Anwendung eines "formvariablen Schwellwerts" gelingt die einwandfreie
Klassifizierung des geprüften
Bauteils als fehlerfrei (5a) bzw.
fehlerbehaftet (5b).
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Sind
an der Eintrittsfläche
des Bauteils von der ebenen und die Schallbrechung nicht beeinflussenden Geometrie
abweichende Strukturen vorhanden, so kann es sinnvoll oder sogar
erforderlich sein, diese Strukturen im Amplitudenverlauf unberücksichtigt
zu lassen. Zu diesem Zweck können
einzelne oder mehrere Ausblendungsabschnitte definiert werden. Das
Erkennen und Setzen dieser Ausblendungen kann manuell erfolgen;
eine "halbautomatische" Ausblendung durch
geeignete Algorithmen, wie nachfolgend beschrieben, ist aber vorzuziehen.
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Konkret
bedeutet dies, dass von den AF(1...n) eine oder mehrere Ausblendzonen
definiert werden, die sich jeweils durch die Beginnnummer des Ausblendwertes
und die Endnummer klassifizieren lassen. Da es sich in diesem Fall
um äusserlich
relativ einfach erkennbare und identifizierbare Bereiche am Bauteil
handelt, ist eine manuelle Bestimmung dieser Zonen einfach möglich. Dies
kann durch Heranziehen der Amplitudenfunktion geschehen, da sich
geometrische Anomalien an der Bauteiloberfläche häufig durch starke Änderung in
der Funktion AF bemerkbar machen.
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Die
AF(1...n) werden dann folgendem ersten Korrekturprozess unterzogen:
Der
Bereich, der zwischen auszublendender Beginnnummer und der zugehörigen Endnummer
liegt, wird durch die linear interpolierten Werte ersetzt.
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Betrachtet
sei ein Ausblendbereich, der an der Stelle u1 beginnt und bei u2
endet. Dann berechnet sich die korrigierte Amplitudenfunktion wie
folgt:
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Bei
mehreren Ausblendbereichen gilt dies entsprechend. Ergebnis ist
die so erhaltene, einfach korrigierte Amplitudenfunktion AFk1 (1...n).
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Offensichtlich
kann der eben beschriebene erste Korrekturschritt dann entfallen,
wenn das Bauteil zumindest in der gemessenen Ebene keine Unterbrechungen
oder sonstige Inhomogenitäten
aufweist. Bei Kolben für
Verbrennungsmotoren und ähnliche
Anwendungen (Kompressoren, Pumpen) ist dies eher die Ausnahme. Am
einfachsten ist es dann, den ersten Korrekturschritt einfach zu überspringen
und mit dem zweiten Korrekturschritt zu beginnen.
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Weitere
Störeinflüsse, die
eingangs bereits erwähnt
wurden, können
zur Überlagerung
der Amplitudenfunktion mit längerwelligen
Anteilen führen.
Aufgabe des zweiten Korrekturprozesses ist die Eliminierung dieser
Störeinflüsse.
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Im
idealen Fall erfolgt diese Eliminierung durch Anwendung eines Gaussfilters.
Vereinfachend und näherungsweise
kann statt dessen der Korrekturprozess aber auch durch ein doppeltes
Mittelwertfilter durchgeführt
werden, welches sich durch sehr einfache analytische Anwendbarkeit
und Durchführbarkeit
auszeichnet.
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Für den Transformationsprozess
werden dabei aus der Amplitudenfunktion folgende Hilfsfunktionen berechnet:
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Und
im zweiten Schritt
mit einer optimierten Grenzwellenlänge dieses
Filters von typischerweise L = 9100/n, worin n die Anzahl der Messwerte
ist. Es kann erforderlich sein, diese Grenzwellenlänge dem
Prüfproblem
anzupassen und modifizierte Werte für L zu wählen.
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Aus
den Hilfsfunktionen H2(i) berechnet sich die Amplitudenfunktion
vermöge: AFk2(i) = AFk1(i) – H2(i)
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Die
entscheidende Leistungsfähigkeit
der hier ausgeführten
Korrekturprozesse zur Eliminierung von Störeinflüssen liegt in der nachgeschalteten
Plausibilitätsprüfung begründet, die
nachfolgend beschrieben wird. Der oben beschriebene zweite Korrekturprozess
kann nämlich
dazu führen,
dass nicht nur Störeinflüsse, die
sich im Amplitudenverlauf auswirken, beseitigt werden, sondern auch
Einflüsse,
die von Bindungsfehlern herrühren.
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Es
wurde festgestellt, dass Bindungsfehlern herrührende Einflüsse dazu
führen,
dass sich die Unordnung oder "Entropie" der resultierenden
Amplitudenfunktion AFk2(i) im Vergleich zur Vorstufe der Korrektur AFk1(i)
erhöht.
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Als
einfaches Mass für
die oben genannte Unordnung oder Entropie wird bestimmt, wie sich
der gesamte Werteverlauf der jeweiligen Amplitudenfunktionen auf
die Ordinatenabschnitte aufteilt. Diese können z.B. in zehn Abschnitte
von 0 bis 100% der Amplitudenhöhe
gruppiert werden. Es wird quasi eine Art Histogrammfunktion der
Messwerte erzeugt und diese Histogrammfunktionen miteinander verglichen.
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Der
Vergleich findet nun mit folgendem iterativen Verfahren statt: Für den Fall,
dass die Anzahl der "besetzten" Ordinatenabschnitte
der Funktion AFk1(i) kleiner als die der Funktion AFk2(i) ist, was
eine Zunahme der Unordnung oder Entropie anzeigt, wird der durchgeführte zweite
Korrekturprozess hierfür
wieder rückgängig gemacht.
Als besetzt gilt ein Segment dann und nur dann, wenn eine Mindestanzahl
aller Messwerte in dem jeweiligen Segment liegen. Im hier beschriebenen
Beispiel müssen
0,5% aller Messwerte in einem Segment auftreten, damit es als "besetzt" klassifiziert wird.
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Mittels
dieses iterativen Verfahrens erhält
man schliesslich aus den ursprünglichen
Messwerten AF(i) über
die Korrekturfunktionen AFk1(i) und AFk2(i) neue korrigierte Amplitudenfunktion
AFneu(i).
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Nach
diesen drei durchgeführten
Korrekturprozessen kann nun der eigentliche Bestimmungsprozess, d.h.
die Identifizierung nichtfunktionsfähiger Bindungsanteile am Bauteil,
erfolgen.
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Hierzu
wird mittels des im folgenden beschriebenen Verfahrens ein Schwellwert
berechnet, dessen Überschreitung
(bei der Reflexionsmethode) bzw. Unterschreitung (bei der Transmissionsmethode)
durch die Amplitudenwerte der Funktion AFneu(i) an diesen Stellen
eine nichtfunktionsfähige
Bindung an der Stelle/Nummer i bzw. dem dadurch bestimmbaren Messort
angezeigt wird.
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Erste
Stufe des Bestimmungsprozesses für
den Schwellwert ist die Berechnung des Mittelwertes über alle
AFneu(i), allerdings ohne Berücksichtigung
der o.g. Ausblendebereiche u1 bis u2 (und ggf. weiterer Ausblendbereiche).
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Der
Einfachheit halber wird im Folgenden davon ausgegangen, dass nur
ein Ausblendbereich vorliegt. Bei Vorliegen mehrerer Ausblendbereiche
können
die nachfolgenden genannten Formeln aber sehr einfach erweitert
werden.
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Berechnet
werden folgende Kenngrössen:
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iQ
sind dabei alle Messorte, für
die AFneu(iQ) grösser
ist, als 80% aller verbleibenden AFneu(i) sowie kleiner ist, als
80% aller verbleibenden AFneu(i). Das bedeutet, dass der entsprechende
Anteil der grössten und
kleinsten Amplitudenwerte bei der Summenbildung für s2 nicht
berücksichtigt
wird. Hieraus berechnet sich die Kenngrösse
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Diese
Werte ergeben sich aus signaltheoretischen Überlegungen von zuzulassenden
Nutz-/Störsignalverhältnissen,
können
aber auch empirisch ermittelt werden. Die Werte sind nahezu unabhängig vom
Prüfproblem
und universell gültig;
allerdings kann im Einzelfall eine Modifikation sinnvoll sein.
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Mittels
dieser Kenngrössen
lassen sich schliesslich diejenigen Amplitudenwerte identifizieren,
die eine nichtfunktionsfähige
Bindung anzeigen. Bei der Reflexionsmethode sind dies alle Umfangsstellen
i, für
die gilt: AFneu(i) > m + 10·S
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Bei
der Transmissionsmethode entsprechend alle Umfangsstellen i, für die gilt: AFneu(i) < m – 10·S
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Die
so identifizierten Stellen können
nun geeignet dargestellt werden, insbesondere bezüglich Ihrer Länge, ähnlich den
Verfahren, die nach Stand der Technik arbeiten. Diese Methode wird
für jede
Messung und ggf. jeden Prüfkopf
neu angewandt und funktioniert sehr universell.
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Die
einzelnen Schritte des Verfahrens werden vorteilhafterweise auf
einem handelsüblichen
PC oder anderem Computer als Rechenoperationen mittels eines Programms
durchgeführt.
Es versteht sich von selbst, dass ein solcher Computer in seiner
Leistung den Erfordernissen genügen
muss. Das Programm kann in an sich bekannter Weise auf einem geeigneten
Medium gespeichert sein oder über
ein Netzwerk zur Verfügung gestellt
werden und wird dem PC in passender Form zugeführt. Ein solches Programm enthält dann
auch die beschriebenen Iterationen, die natürlich auf einem Computer schnell
und mit geringem Aufwand durchgeführt werden können.
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Es
liegt auf der Hand, dass durch dieses Verfahren Störeinflüsse, aber
auch Fehler, die durch Unachtsamkeit des Bedieners, mangelnde Qualifikation
oder mechanische Ungenauigkeiten auftreten können, praktisch ausgeschlossen
sind oder kompensiert werden. Daraus ergibt sich auch die wesentlich
höhere
Reproduzierbarkeit der Messergebnisse als bei Anwendung bisheriger
Verfahren und insbesondere eine hervorragende Langzeitstabilität des Messprozesses.
Dazu kommt noch, dass Anpassungen an veränderte Messvoraussetzungen
und/oder Bauweisen der zu messenden Rotationsteile durch die Universalität des Verfahrens
von der Software normalerweise automatisch berücksichtigt werden und nur bei
Verwendung völlig
anderer Bauteile die Veränderungen
der verwendeten Software schnell und üblicherweise sehr ökonomisch
durchgeführt werden
können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist natürlich
nicht auf Systeme mit relativ fester Sonde und rotierendem Messobjekt
beschränkt,
sondern lässt
sich auf andere Systeme anwenden, bei der die Bindung mittels Ultraschall
zu bestimmen ist, indem in anderer Weise eine Relativbewegung zwischen
Sonde und Messobjekt erzeugt wird.
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Gerade
wegen seiner relativen Einfachheit ist das erfindungsgemässe Prinzip
auch geeignet zur Messung von Rotationsteilen, die unter ähnlichen
Voraussetzungen wie die im Beispiel beschriebene Messung an Kolben
durchgeführt werden.
Der Fachperson sollte es keine Schwierigkeiten bereiten, das für Kolben,
d.h. ein Rotationsbauteil, beschriebene Ausführungsbeispiel in einer Weise
zu modifizieren, dass es für ähnliche
Messungen an anderen Körpern,
auch solchen mit notwendigen Bindungsprüfungen von längserstreckten
Bindungsflächen,
geeignet ist und dabei die gleichen Vorteile wie bei der beschriebenen
Anwendung erzielt werden.